10Gbps網(wǎng)絡(luò )背板設計關(guān)鍵

　　工程師們必須采取適當的技術(shù)與設計技巧，使其在數據速率接近10Gbps時(shí)，仍能達到可接受的誤碼率。而OEM廠(chǎng)商同時(shí)也面對該為現有的背板上采用何種強化技術(shù)，本文將有進(jìn)一步的說(shuō)明。

　　隨著(zhù)對帶寬需求持續成長(cháng)，大量投資在交叉式升級(forklift upgrade)上并非最好的解決方法，IT經(jīng)理們必需在現有設備上挖掘出更好的效能與更長(cháng)的產(chǎn)品壽命。這讓系統設計人員別無(wú)選擇，只能尋找新方法來(lái)利用已經(jīng)投資在背板(backplane)技術(shù)上的每一分錢(qián)。

　　表面上看起來(lái)，最簡(jiǎn)單的解決方法似乎是藉由減少每次數據帶寬需求增加的單位間隔時(shí)間來(lái)延長(cháng)現有銅背板的壽命。但不幸的是，更高速率的系統所衍生出的損耗、反射、串擾與偏斜等問(wèn)題，將為試圖提升其上一代系統性能的OEM廠(chǎng)商們帶來(lái)更多不同于以往的重大挑戰。

　　為解決當前的背板困境，我們必須先解決信號完整性問(wèn)題，信號完整性問(wèn)題會(huì )在數據速率達3Gbps到10Gbps的范圍內造成像表層效應、電介值損耗、反射、串擾、符號間干擾(Inter-Symbol Interference簡(jiǎn)稱(chēng)ISI)，以及內部對偏斜(intra-pair skew)等嚴重問(wèn)題(參考附件)。將現有的I/O速度提高兩級，或是利用通用的銅纜線(xiàn)均衡器，都無(wú)法有效解決上述問(wèn)題，因為這些技術(shù)主要是針對克服低速背板上常見(jiàn)的訊息信道損耗所設計的。

　　現今的工程師們必須采取一些適當的技術(shù)與設計技巧，使其在數據速率接近10Gbps時(shí)，仍能達到可接受的誤碼率(Bit Error Rates, BER)。其中，最有效的應該是稱(chēng)為脈沖振幅調變(Pulse Amplitude Modulation, PAM)的多準位信號技術(shù)，以及我們熟知的判斷反饋均衡器(Decision Feedback Equalization，DFE)自適應均衡技術(shù)。

　　OEM廠(chǎng)商所面對的另一個(gè)問(wèn)題，是要確定該在為其現有的背板上采用何種強化技術(shù)。是要制作一種客制化的ASIC(特殊應用集成電路)，或是用現成的ASSP(特殊應用標準產(chǎn)品)就能滿(mǎn)足設計呢?答案將取決于相關(guān)的經(jīng)濟規模以及系統的特性和規格。

　　訊息信道損害(Channel Impairments)

　　背板是由許多不同組件組成的復雜環(huán)境，目前已經(jīng)對超過(guò)5Gbps以上的信號速率產(chǎn)生了重大挑戰。如圖1所示，其信號路徑包含了超過(guò)11種的不同組件，每一顆組件均各自擁有其阻抗變化。此外，在信號路徑中還有超過(guò)10個(gè)的過(guò)孔，每一個(gè)過(guò)孔都同時(shí)具有貫穿(through)與殘段(stub)成份，這導致了額外的電位阻抗不連續性與諧振極點(diǎn)。其結果是此環(huán)境中的訊息信道傳輸函數的變化會(huì )非常顯著(zhù)。當奈奎斯特(Nyquist)頻率低于2GHz時(shí)，盡管訊息信道存在著(zhù)一些差異，但過(guò)孔與阻抗不連續性(反射)的現象卻不是很明顯。在2GHz以上時(shí)，根據信號層(以及過(guò)孔的貫穿/殘段比率)、走線(xiàn)長(cháng)度，以及電介值材料的不同，各訊息信道將呈現出很大的差異。要在這種訊息信道特性變化極大的環(huán)境中實(shí)現高速數據速率，對高速串行連接而言是非常大的挑戰。

　　圖1：一個(gè)標準的背板系統。其中的每一個(gè)主動(dòng)與背動(dòng)組件都提出了不同的信號挑戰。此外，還必須考慮到制造時(shí)的變化。

　　在高頻背板中，兩種更具破壞性的訊息信道損害是符號間干擾(ISI)與反射。它們都各自有其來(lái)源及效應，然而，自適應均衡技術(shù)的創(chuàng )新應用將同時(shí)克服這兩種不良效應。

　　符號間干擾(Inter-symbol interference)

　　訊息信道的其中一種顯著(zhù)效應就是會(huì )在鄰近符號間引發(fā)ISI的單位元響應‘擴展’ 。當在頻域中考慮ISI時(shí)，背板訊息信道的表現就像一個(gè)低通濾波器，此處的高頻組件會(huì )呈現衰減，而低頻信號則不受影響。(見(jiàn)圖2)

　　圖2：(a) – 背板S21曲線(xiàn);其表現就像一個(gè)低通濾波器。

　　(b) – 反向頻率均衡器S21曲線(xiàn);其表現就像一個(gè)高通濾波器;

　　(c) – 整合的S21曲線(xiàn);轉換函數擁有平坦性及理想的頻率范圍。

　　透過(guò)分析訊息信道的單位元響應，我們可以在時(shí)域中觀(guān)察ISI。圖3展示了在簡(jiǎn)單的101數據模式中從有損號的訊息信道至接收器的傳輸所出現的ISI破壞性效應。錯誤的結果是由來(lái)自藍波形的‘前體(pre-cursor)’ISI，加上來(lái)算綠波形的‘后體(post-cursor)’ISI所歸納出的，其總和會(huì )產(chǎn)生一個(gè)明顯高于0/1電壓閥值的‘0’位電壓。

　　圖3：在輸入到訊息信道(黑色)，以及輸出到訊息信道(紅色)時(shí)，一個(gè)無(wú)均衡的簡(jiǎn)單101數據模式。

　　其輸出情況是分別會(huì )輸出到兩個(gè)分離的單位元響應(綠色、藍色)，顯示出ISI是如何感應到錯誤的發(fā)生。

　　消除I SI的最常用方法是反向頻率均衡。在背板鏈接環(huán)境中，主要的挑戰是如何在極高性能與極低的面積和功率開(kāi)銷(xiāo)條件下進(jìn)行有效的均衡。傳送均衡(通常稱(chēng)為預強調(pre-emphasis)或解強調(de-emphasis))是一種簡(jiǎn)單的方法，通常能有效地消除由發(fā)散所引起的ISI。在傳送均衡中，低頻會(huì )對應奈奎斯特頻率信號逐步衰減，因此能讓整個(gè)系統的響應變得平坦，并消除ISI(見(jiàn)圖2與圖4)。

　　在此必須注意，在均衡情況中，輸出擺動(dòng)并沒(méi)有增加，為了獲得公平的比較，系統會(huì )維持其恒定的峰值功率約束。盡管單位元的高度較低，但透過(guò)傳送均衡來(lái)消除ISI仍能有效地提升訊息噪音比(SNR)。

　　圖4：無(wú)均衡的單位元響應以及一個(gè)帶有5接頭均衡傳送器展示了透過(guò)傳送均衡減少I(mǎi)SI。每一點(diǎn)都代表符號樣品。

　　反射

　　事實(shí)上，要強化所有的高速背板性能，都必須先克服確實(shí)存在的反射增加情況。由阻抗失配所引發(fā)的反射出現的原因很多。為了解反射出現的原因，我們必須徹底分析背板上的所有組成部份。如圖1所示，被貼裝在封裝中的芯片必須焊接在插入背板的線(xiàn)路卡上。訊息信道是從一個(gè)裸晶到另一個(gè)裸晶的完整路徑。信號必須通過(guò)大量的走線(xiàn)才能從源頭抵達終點(diǎn)。由表層效應與電介值損耗所產(chǎn)生的線(xiàn)路衰減將分布在很長(cháng)的水平走在線(xiàn)。

　　然而，最麻煩的問(wèn)題還不是由長(cháng)水平走線(xiàn)所引起，而是來(lái)自于連接系統中所有組件的短垂直走線(xiàn)所產(chǎn)生。這些垂直走線(xiàn)，即我們熟知的過(guò)孔，會(huì )從芯片的封裝連接到線(xiàn)路卡，并從線(xiàn)路卡連接到連接器與背板。過(guò)孔必須遵循由PCB與連接器產(chǎn)業(yè)所設定的嚴格尺寸與間隔要求，這些要求會(huì )造成約束，有時(shí)會(huì )直接與良好的電氣效能產(chǎn)生沖突。連接器本身經(jīng)常會(huì )出現內部阻抗不連續，另外，在與實(shí)際系統中的線(xiàn)路卡及背板整合時(shí)，也會(huì )出現阻抗不連續的情況。時(shí)域反射(TDR)分析可展示這些阻抗不連續。(見(jiàn)圖5)

　　圖5：反射減少，信號振幅達到接收器要求的水平，并在訊息信道傳輸函數中引發(fā)諧振磁傾。反射強度與阻抗失配成正比。

　　判斷反饋均衡器(DFE)

　　判斷反饋接收均衡(DFE)在處理?yè)p耗與發(fā)散ISI時(shí)非常有效，該方法同時(shí)能有效地幫助減少與配置相關(guān)的反射。該技術(shù)同時(shí)運用了傳送及接收均衡器，以讓有范圍限制的DFE擁有足夠的范圍 (見(jiàn)圖6，參考文獻[1]亦有詳細描述)。由于發(fā)散與背板的多種功能屬性有很大關(guān)聯(lián)，因此傳送均衡器的靈活性無(wú)論在接頭數量或是接頭設定方面都相當令人滿(mǎn)意。同樣地，由于接收均衡器的主要作用是減少反射，因此接頭分配及加權的靈活性對于處理不同高性能背板配置中變化的反射是非常重要的。

　　圖6：(a) - 均衡結構整合Tx+Rx，以實(shí)現DFE;(b) – 均衡接頭范圍覆對訊息信道的單位元響應。

　　任何均衡架構的主要挑戰之一，就是設定接頭加權或均衡系數。在真實(shí)的訊息通到訊息信道變化的標準背板環(huán)境中，沒(méi)有一組簡(jiǎn)單的系數設定能適用于所有訊息信道的工作。

　　透過(guò)使用自適應技術(shù)，我們可以同時(shí)為每一種均衡系數確定最佳方案。兩種基本的自適應方法分別是‘設定并忘掉’，以及‘連續’。在‘設定并忘掉’方法中，自適應回路會(huì )在通電時(shí)執行，以建立均衡系數的設定，在自適應回路關(guān)斷后，鏈路會(huì )以固定系數執行。

　　在‘連續’方法中，系數會(huì )在實(shí)時(shí)數據傳輸時(shí)連續地進(jìn)行調整。溫度與濕度變化是背板設計中必須進(jìn)行連續自適應調整的最常見(jiàn)效應。它們會(huì )依序改變訊息信道傳輸函數。為了調和連續的自適應方法，工程師必須更關(guān)注均衡設計，以保證均衡系數的實(shí)時(shí)變化不會(huì )在count rollover期間產(chǎn)生輸出故障。

　　最先進(jìn)的背板技術(shù)在一個(gè)區域與功率效應方式中展現了實(shí)現自適應均衡的能力。Rambus公司的Raser X 10Gbps核心利用了內含‘強制歸零(zero-forcing)’方法的連續自適應技術(shù)。Raser X核心同時(shí)提供了‘設定并忘掉’與‘連續’的自適應方法，兩種方法均可由設計人員完全控制。另外，這種自適應方法的比率是可調整的，而且在系統的訊息信道特性變中，它能被調整為任何我們所預期的比率。

　　多準位信號

　　當在背板上執行更快速的頻率時(shí)，一種處理?yè)p耗增加的方法是簡(jiǎn)單地使用電壓來(lái)增加數據速率(即多準位信號)，而非以時(shí)間的方法。在傳統的二進(jìn)制信號中，在每一個(gè)符號時(shí)間內僅能傳送或接收單一位。但采用像脈沖振幅調變(PAM)這類(lèi)的多準位信號方法，則能在每一段符號時(shí)間內傳送多個(gè)位，如此一來(lái)，符號在較低的奈奎斯特頻率上執行時(shí)，也能達到相同的數據速率。一種被稱(chēng)為 4-PAM的技術(shù)即是采用了4個(gè)級來(lái)對每個(gè)符號的2個(gè)位進(jìn)行編碼，如圖7所示。

　　圖7：發(fā)出兩個(gè)位信號的兩種方法;(a) – 實(shí)時(shí)二進(jìn)制信號發(fā)送;

　　(b) – 以電壓和多準位信號方法發(fā)送信號(4-PAM)，XY刻度均是相同的。